非平衡态等离子体与气体流动研究及数值模拟

摘要

磁流体发电作为一种高效、低污染的新型发电方式一直都是世界研究的热点，但是常规磁流体联合循环发电系统中还有一些关键技术问题并没有很好的解决。东南大学提出一种新型的磁流体技术，该磁流体是通过在高速爆轰气流中加入由外部非平衡强电场作用下生成的非平衡等离子体的方法而形成的。为了找到一个适合于磁流体发电技术且易于利用的非平衡态等离子体燃烧波，从理论上研究磁流体的能量转换过程具有重大的实际意义。本文围绕非平衡态等离子体在气体流动过程中的能量转换，利用数值模拟方法，建立非平衡态等离子体与气体流动相对完备的分析模型，为进一步研究非平衡等离子体磁流体特性提供理论基础和发展方向。
　　第一章为绪论部分。提出靠热电离产生的高温磁流体一直制约着常规磁流体联合循环发电技术的发展。而在热力学平衡条件下传统磁流体发电存在的问题几乎是不可避免的，因此需要在非平衡条件下寻求问题的解决办法。
　　第二章通过磁流体动力学理论和离子-中性粒子的输运分析提出了双流体模型的基本方程，并指出进行下一步研究的关键在于动量、能量转换项的形式，即采用何种碰撞模型。由于大气压下的离子-中性气体流动的特殊性，对研究平台进行了选择，基于Fluent软件进行了用户自定义开发。
　　第三章介绍了Maxwellian碰撞模型和bi-Maxwellian碰撞模型，并分别利用这两种碰撞模型对大气压下的离子-中性粒子的运动过程进行了数值模拟。数值结果表明：无论采用何种碰撞模型，流场变量在入口附近都存在明显的突变现象，即非平衡态到平衡态的过渡现象。为了进一步研究碰撞模型的优越性，对这两种碰撞模型的数值结果进行了对比，发现bi-Maxwellian碰撞模型更精确。
　　第四章基于bi-Maxwellian碰撞模型，对第三章出现的非平衡态到平衡态的过渡现象进行了说明和研究，并将这一过渡现象称为弛豫现象。分析了电场强度E、离子入口数密度niw、离子入口速度viw以及中性气体入口速度vaw这4个参数对弛豫现象的影响。通过数据分析得到如下结论：
　　当电场强度、离子入口速度、离子入口数密度越大，中性气体入口速度越小时，离子能从电场中获取更多的能量，并且将更多的能量传递给中性气体，此时非平衡区的急剧变化现象越明显，各个参数的梯度也越大，并且需要更长的空间距离来达到平衡。
　　为了进一步简化参数选择对弛豫现象的影响，定义了弛豫厚度，弛豫厚度指非平衡态逐渐恢复到平衡态所经历的空间距离。通过分析电场强度、离子入口速度、离子入口数密度和中性气体入口速度对弛豫厚度的影响，发现弛豫厚度不仅与离子相蕴含或是获取能量的能力有关，还与两相之间的动量差有关。
　　第五章研究了通道特性对磁流体能量转换过程的影响。基于bi-Maxwellian碰撞模型将原有通道缩小10倍。对大、小通道中的流动过程进行数值模拟，并将两种通道下的数值结果进行对比和分析。根据数值结果可知：当通道缩小时，壁面影响在流动中所占的比例会越来越大，甚至会影响到通道中心区域的参数变化趋势。
　　第六章将原本单一的中性气体换成甲烷-空气混合物，采用非稳态的计算方法，让离子入口速度、离子入口体积分数、中性气体入口速度、出口压力，以及初始组分中的甲烷质量分数这五个参数随着流动时间不断变化，使得温度上升从而逐渐逼近燃烧状态。数值模拟的结果显示：增大离子入口速度、离子入口体积分数、出口压力和甲烷初始质量分数以及减少中性气体入口速度都能增大甲烷-空气混合物的温度，而使得整个系统处于燃烧状态。